人形機器人黑科技解密：后空翻、動手指都靠它

作者?|??程茜
編輯?|??心緣

拉開人形機器人商用大幕的關(guān)鍵硬件，特斯拉小米優(yōu)必選已入局。

曲折的2022年終于成了“過去時”，回望過去一年全球機器人重大事件，想必馬斯克的特斯拉人形機器人“擎天柱”會高票入選。

自2021年8月馬斯克大張聲勢預(yù)告特斯拉要造機器人起，商用人形機器人迅速成燎原之勢。2022年，不僅科技大廠小米、特斯拉的人形機器人相繼露面，連家電界設(shè)計“天花板”戴森亦宣布將在10年內(nèi)推出可以做家務(wù)的人形機器人。其中熱度最高的特斯拉人形機器人“擎天柱”，原型機一出場，口碑便兩級分化，有人盛贊它是多重技術(shù)進(jìn)步的集大成者，也有人因為它的步履蹣跚大感失望，原本期待特斯拉甩大招，誰料沒等來一個能上廳堂下廚房的機器人，卻等來一個行動笨拙緩慢的裸露電線版原型機……

▲特斯拉人形機器人“擎天柱”（Optimus）現(xiàn)身2022年特斯拉AI Day

論身手敏捷程度，比起早就能做跑酷、360°后空翻等極限運動的波士頓動力人形機器人Atlas，后進(jìn)者特斯拉“擎天柱”似乎相差甚遠(yuǎn)。

問題的關(guān)鍵，藏在機器人的“關(guān)節(jié)”里。人體的關(guān)節(jié)決定了做各種動作的靈活性，機器人的“關(guān)節(jié)”驅(qū)動器（Actuator）同樣如此。正是因為“關(guān)節(jié)”設(shè)計方法的差別，Atlas與“擎天柱”在運動能力上表現(xiàn)迥異。盡管在靈敏度上遜色不少，但“擎天柱”的驅(qū)動器設(shè)計凝結(jié)了大量的匠心巧思，使其大降功耗成本，堪稱是推進(jìn)人形機器人走向商業(yè)化的標(biāo)桿之作。

已發(fā)展數(shù)十載的驅(qū)動器，為何至今仍是連科技巨頭都難啃的“硬骨頭”？波士頓動力和小米、特斯拉的“關(guān)節(jié)”到底有什么不同？背后涉及哪些關(guān)鍵技術(shù)及組件？經(jīng)過與多位機器人從業(yè)者交流，本文將從技術(shù)到產(chǎn)業(yè)鏈，深扒一顆顆小小的驅(qū)動器，如何成商用人形仿生機器人的“命門”。

▲特斯拉人工智能日活動展示的人形機器人結(jié)構(gòu)拆解圖，橙色部分是驅(qū)動器

01.想讓機器人玩雜技？先煉好“人工關(guān)節(jié)”

人形機器人有4大核心組件，分別是傳感系統(tǒng)（對應(yīng)五官）、控制系統(tǒng)（對應(yīng)大腦）、執(zhí)行機構(gòu)（對應(yīng)四肢）和驅(qū)動系統(tǒng)（對應(yīng)關(guān)節(jié)組織）。

走路、下蹲、舉手、抓握、搬重物、爬樓梯……機器人的每個動作都離不開驅(qū)動系統(tǒng)的支持，驅(qū)動器則是撐起機器人運動能力的關(guān)鍵組件，技術(shù)門檻、成本都很高。這是一個“小而精”的技術(shù)要地。人體有名有姓的關(guān)節(jié)共78個，其中使用頻率高、承受重量大的關(guān)節(jié)更易出現(xiàn)磨損和病變。老年人不如年輕人動作麻利，往往是因為關(guān)節(jié)的靈活性、韌性損壞了。類似的，人形機器人能否高效精準(zhǔn)做各種動作，非常依賴控制肩、肘、腕、指、髖、膝、踝、腰椎等關(guān)節(jié)部位驅(qū)動器的質(zhì)量。這要求驅(qū)動器既要數(shù)量多、占空間少、重量輕，又要耐摔扛撞。畢竟一旦“關(guān)節(jié)”出問題，機器人就“癱瘓”了。因此，一臺行動精準(zhǔn)敏捷的人形機器人，其“關(guān)節(jié)”至少應(yīng)具備這些特征：

數(shù)量上，自由度越多，能做的動作越復(fù)雜。自由度可以簡單理解成能讓一個物體獨立運動的數(shù)量。小米人形機器人“鐵大”全身有21個自由度，特斯拉“擎天柱”的更多，全身自由度共28個。

形態(tài)上，體積越小，機器人外形越精巧。深圳安普斯的伺服系統(tǒng)專業(yè)研發(fā)人員透露，伺服驅(qū)動器在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)很成熟，但放到人形機器人中需做到更小，突破這一點后，精度、控制性能、柔性化等就都不是大問題了。

功能上，輸出扭矩越大，承載能力越強。波士頓舊版Atlas的膝關(guān)節(jié)扭矩已高達(dá)890N·m，髖關(guān)節(jié)扭矩達(dá)840N·m。小米“鐵大”的髖關(guān)節(jié)主要電機瞬時峰值扭矩可達(dá)到300N·m。人在運動過程中，腳底接觸地面瞬間的沖擊力是人體體重的數(shù)倍。

因此人形機器人要想像人類一樣瞬時起跑、彈跳，很考驗驅(qū)動系統(tǒng)的快速響應(yīng)和能量效率。要讓機器人動作速度快，驅(qū)動器在提供很大輸出功率的同時，需確保不會因為發(fā)熱量太大而被燒壞。驅(qū)動系統(tǒng)還要具備出色的緩沖沖擊能力，來保護驅(qū)動器不會因為猛烈撞擊而損毀。

掌握抓握的力度也很重要。舉個例子，如果讓機器人去拿雞蛋，握力過大，可能把雞蛋捏碎；握力過小，雞蛋就摔地上了。因此驅(qū)動系統(tǒng)需與控制系統(tǒng)協(xié)作，精細(xì)控制每一個動作的輕重?？傮w來說，人形機器人的驅(qū)動器必須做到體積小、重量輕、軸向尺寸短、高功率密度、高能量利用效率、精度可控、耐沖擊性等特性，結(jié)合機器人整機結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化，才能保證其關(guān)節(jié)動作的高效執(zhí)行。這不僅是制約人形機器人更靈活、自由的關(guān)鍵，同時也是讓其實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)、應(yīng)用的重要門檻之一。

02.波士頓動力VS特斯拉小米驅(qū)動器差別有多大？

為什么集聚了強大工程師團隊的小米“鐵大”、特斯拉“擎天柱”，沒能做到像波士頓動力Atlas那樣高燃跑酷？優(yōu)必選科技人形機器人創(chuàng)新中心負(fù)責(zé)人付春江告訴智東西，從時間維度看，特斯拉、小米機器人剛開發(fā)一年多，在軟件運控層面還有很大的提升空間；從技術(shù)方案看，特斯拉和小米機器人采用的電機驅(qū)動方案，Atlas采用的液壓傳動方案，驅(qū)動器集中性和功率密度不在同一層次。而技術(shù)路線的差異，歸根究底是特斯拉、小米研發(fā)人形機器人的用途定位和預(yù)期功能，與波士頓動力存在本質(zhì)上的不同，導(dǎo)致成本亦相差很大。波士頓動力Atlas主打挑戰(zhàn)極限的炫技動作，因此選用功率大的液壓驅(qū)動。其核心原理是通過液體壓縮泵產(chǎn)生高壓液體，高壓強作用于缸體產(chǎn)生巨大推力，帶動機器人關(guān)節(jié)運動。這也是Atlas能做出高難度絕技的秘訣。

波士頓動力在液壓驅(qū)動方向一家獨大，積累了大量專利。Atlas有一個非常緊湊的液壓驅(qū)動裝置，重5kg、功率5kW，里面有電動泵儲液罐、電池、過濾器、電子設(shè)備和一個冷卻系統(tǒng)，憑借28個液壓驅(qū)動器完成各種爆發(fā)力強的雜技動作。

液壓驅(qū)動方案的缺點是噪音大、易漏液、對污染敏感、對液壓元件的精度質(zhì)量要求高、對維護團隊要求高等，導(dǎo)致制造成本居高不下，難以走出實驗室、走向商業(yè)化。因此，優(yōu)必選科技Walker、小米“鐵大”、特斯拉“擎天柱”等人形機器人，都選用了穩(wěn)定性、性價比更高的電機驅(qū)動方案，更加注重實用性。

在電機驅(qū)動方案中，伺服驅(qū)動器將位置、速度、扭矩告訴伺服電機，伺服電機將接收到的電壓信號轉(zhuǎn)換為扭矩、轉(zhuǎn)速，減速器可以增加扭矩，優(yōu)化低速運動的平穩(wěn)性。雖然扭矩密度遠(yuǎn)低于液壓驅(qū)動，但電機驅(qū)動可以通過搭配減速器來加以補足，其現(xiàn)有技術(shù)已能滿足機器人的多數(shù)運動需求，同時擁有能量轉(zhuǎn)化效率、易維護、低成本、零件規(guī)整等優(yōu)勢。

據(jù)一位機器人行業(yè)的資深產(chǎn)品經(jīng)理透露，這一驅(qū)動方式通過位置、速度、力矩來實現(xiàn)對機器人的閉環(huán)控制，使精度更高。在機器人系統(tǒng)中，伺服電機能做到“說停就停、說走就走”，讓執(zhí)行系統(tǒng)能夠“絕對服從”控制系統(tǒng)的命令。因用途不同，用在不同機器人“關(guān)節(jié)”位置的驅(qū)動器，在物理指標(biāo)、執(zhí)行任務(wù)強度和功率方面均不相同。

為了找出最優(yōu)的驅(qū)動器方案，科技公司多選擇定制驅(qū)動器的路線。例如，小米“鐵大”全身有5種關(guān)節(jié)驅(qū)動器，行走時速能夠達(dá)到3.6km/h。其上肢關(guān)節(jié)能夠靈活運動，得益于小米為其研發(fā)的一個重量為500克、額定輸出扭矩高達(dá)30N·m的高效電機。特斯拉研究人員利用算法為“擎天柱”定制出6款最優(yōu)的驅(qū)動器，包含3種線性驅(qū)動器（采用永磁電機）和3種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器（采用諧波減速器），以滿足不同關(guān)節(jié)的效率需求并兼顧成本。

▲特斯拉人形機器人的6種驅(qū)動器

其中，線性驅(qū)動器用于推拉，比如讓機器人手臂向前或向后伸展；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器用于轉(zhuǎn)動動作，有直流電機、伺服電機、步進(jìn)電機等常見類型。這些驅(qū)動器能驅(qū)動完成不同角度的動作。基于這些設(shè)計，“擎天柱”的手腕、腳掌都能靈活轉(zhuǎn)動。

從精簡成6款驅(qū)動器可以看出，特斯拉奔向“大規(guī)模量產(chǎn)”、2萬美元成本目標(biāo)的設(shè)計思路非常明確，通過實現(xiàn)更多硬件重復(fù)可替代，壓低總體成本，并讓所有的驅(qū)動器都能高效工作。在設(shè)計過程中，特斯拉結(jié)合收集到的真實世界數(shù)據(jù)，在虛擬空間中做機器人走路、轉(zhuǎn)身模擬，用人工智能算法反復(fù)測算扭矩、速度等數(shù)據(jù)，分析出能夠更好兼顧質(zhì)量、效率、能耗、成本平衡的最佳驅(qū)動器設(shè)計。

在承重能力上，特斯拉研發(fā)的腿部線性驅(qū)動器，通過集成伺服電機、減速器、絲杠、傳感器、一體化運動單元等零部件，做到了精準(zhǔn)的速度控制、位置控制和力控制，在極限測試中能提起一架500kg重的鋼琴。

除此之外，特斯拉“擎天柱”還有一大看點——設(shè)計出與人手非常相似的機械手。“擎天柱”的每只手擁有11個精細(xì)的自由度，結(jié)合控制軟件，能完成像人手般復(fù)雜靈巧的操作，并能承擔(dān)大約9公斤的負(fù)重。驅(qū)動器通過齒輪驅(qū)動一根金屬線來控制手指彎曲，并集成了感應(yīng)器和鎖定裝置，以更加節(jié)省能耗。

相比之下，很多人形機器人的手部設(shè)計都較為簡單，例如Atlas的手像個浴霸，“鐵大”的手沒有手指。它們能開門、能抓握，但碰到像“穿針”這樣的精細(xì)活兒，就會一籌莫展。

為了保護包括驅(qū)動器在內(nèi)的核心組件避免因碰撞等突發(fā)情況造成損壞，特斯拉工程師借鑒了以往在車輛安全測試上獲得的技術(shù)跟經(jīng)驗，用軟件模擬機器人摔倒等狀況，通過調(diào)整機體，把傷害控制在表面。在供電上，波士頓動力Atlas與特斯拉“擎天柱”的差別也很顯著。Atlas的3.7kWh電池組只能撐起大約1小時的活動，特斯拉則聲稱“擎天柱”的2.3kWh電池能供應(yīng)其一整天工作所需的電量。

03.50年演進(jìn)3大路線人工肌肉或成未來主要研究

回溯發(fā)展歷程，人形機器人驅(qū)動器的技術(shù)演進(jìn)經(jīng)歷了3個階段：傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器、準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器。早先從1983年日本早稻田大學(xué)研發(fā)出WL-10R機器人起，傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器被廣泛用到人形機器人中。這種驅(qū)動器的最大輸出功率密度只能達(dá)到200~300W/kg，與生物肌肉500W/kg的功能密度相差較遠(yuǎn)，因此在人形機器人上的應(yīng)用受限。彈性驅(qū)動器、準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器均由麻省理工學(xué)院提出。

彈性驅(qū)動器SEA最早提出于1995年，通過模擬具有彈性的肌肉系統(tǒng)，讓關(guān)節(jié)的動作變得更加流暢。但因其彈性體的控制難度較高，該驅(qū)動器難以做到精準(zhǔn)控制機器人的動作。近年趨熱的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器是在2016年提出。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器依靠驅(qū)動器電機開環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅(qū)動器。

▲人形機器人驅(qū)動器發(fā)展歷程（圖源：《雙足仿人機器人驅(qū)動器——演進(jìn)、現(xiàn)狀與前景》）

從具體構(gòu)成來看，傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器由電機、高傳動比減速器、剛性力矩傳感器、輸出端組成，其中剛性力矩傳感器是可選擇項；彈性驅(qū)動器則在高傳動比減速器與輸出端之間加了彈性體，用位置傳感器檢測彈性體的形變，可以推斷出力矩的大?。欢?strong>準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器改成了高力矩密度電機+低傳動比減速器的組合，通過電機的電流大小間接推斷出輸出力矩的大小。

更理想的方案是電機直接驅(qū)動，但由于現(xiàn)有電機技術(shù)的限制，電機直接驅(qū)動的扭矩密度達(dá)不到機器人關(guān)節(jié)應(yīng)用的需求，因此，輔以減速器是一個折中方案。同時，要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量盡可能的小，可以實現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力，滿足人形機器人對小尺寸關(guān)節(jié)的需求。

未來，結(jié)合5G、人工智能、云計算等技術(shù)，驅(qū)動器還有望在云上實現(xiàn)相互通信，檢測和監(jiān)控驅(qū)動器的實時狀態(tài)。“人形機器人驅(qū)動器經(jīng)歷了由剛性驅(qū)動器向彈性驅(qū)動器和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器的技術(shù)演進(jìn)。彈性驅(qū)動器和機器人整體優(yōu)化，甚至人工肌肉研究都是未來發(fā)展方向?！备洞航劦?，仿生機構(gòu)都遠(yuǎn)沒有達(dá)到人類骨骼肌肉系統(tǒng)的能力，機構(gòu)的主動件驅(qū)動器也沒有達(dá)到人類肌肉的水準(zhǔn)，因此這一方向未來還有很大的發(fā)展空間。在科技巨頭帶動下，驅(qū)動器的發(fā)展前景，正讓相關(guān)國產(chǎn)廠商受到更多資本的關(guān)注。

04.日企占中國伺服驅(qū)動市場大頭國產(chǎn)玩家正迎頭趕上

根據(jù)Stratistics Market Research Consulting的預(yù)測，全球人形機器人市場規(guī)模在2021年約為15億美元，到2028年或?qū)q至264億美元。其中北美地區(qū)占據(jù)全球主要份額，日本、中國將是制造重地。一個典型人形機器人至少有20多個“關(guān)節(jié)”，每個售價在50~1000美元。這正帶給驅(qū)動器產(chǎn)業(yè)巨大的商機。按控制電機分類，常見的機器人電機驅(qū)動器有步進(jìn)電機驅(qū)動器、直流伺服電機驅(qū)動器、交流伺服電機驅(qū)動器。

目前對性能要求不高的小型機器人采用步進(jìn)驅(qū)動器較多，像工業(yè)機器人等則普遍采用伺服驅(qū)動器。日系供應(yīng)商曾長期領(lǐng)跑我國伺服驅(qū)動市場，核心玩家有安川電機、三菱重工、松下等。伺服驅(qū)動器企業(yè)的產(chǎn)品以伺服系統(tǒng)為主，包含伺服電機、伺服驅(qū)動器。我國廠商在高端伺服驅(qū)動器方面相對實力薄弱。

▲2020年中國伺服系統(tǒng)主要供應(yīng)商市場規(guī)模（數(shù)據(jù)來源MIR DATABANK）

伺服系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。據(jù)一位接近機器人伺服驅(qū)動行業(yè)的人士介紹，按照功率大小，伺服系統(tǒng)共有三種模式，分別為小型、中型和大型。中大型伺服系統(tǒng)的主要應(yīng)用場景為大型機床、航空等，而這一部分市場也被歐美廠商所占據(jù)。如法國施耐德、奧地利貝萊德等歐美玩家的市場份額就在中大型伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，但由于這些市場的需求量相比于小型伺服驅(qū)動系統(tǒng)來說并不大，所以從市場份額來看，這些玩家都只占個位數(shù)。

從整體市場規(guī)模來看，中國伺服系統(tǒng)市場的供應(yīng)商前三甲被日本安川、三菱、松下占據(jù)，國內(nèi)頭部玩家匯川技術(shù)的市占率接近10%。其中，日本安川已經(jīng)在伺服電機領(lǐng)域深耕39年，是運動控制領(lǐng)域的專業(yè)玩家，也是日本第一個做伺服驅(qū)動的公司。早在1983年，日本安川就已經(jīng)實現(xiàn)伺服電機和控制器量產(chǎn)并投入市場。

因此，安川電機形成了以驅(qū)動控制、運動控制、機器人技術(shù)和智能工廠為核心的四大產(chǎn)品體系，產(chǎn)品也以穩(wěn)定性強著稱，“在電機行業(yè)，安川電機可以稱得上是行業(yè)‘老大哥’?！币晃唤咏鼨C器人伺服驅(qū)動行業(yè)的人士說道。據(jù)了解，安川電機的伺服系統(tǒng)∑-7系列功率為2.5KW，該系統(tǒng)最高轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)矩為350N·m，速度頻率響應(yīng)達(dá)到3.1/kHz，能適用于瞬間負(fù)載波動和要求快速起動的場合。

到2021年，市場頭部企業(yè)格局生變。據(jù)市研機構(gòu)MIR DATABANK統(tǒng)計，2021年上半年， 國產(chǎn)品牌匯川技術(shù)市場占有率達(dá)到16%，反超安川電機，并首次問鼎。

▲2021年上半年中國伺服系統(tǒng)主要供應(yīng)商市場規(guī)模（數(shù)據(jù)來源MIR DATABANK）

作為國內(nèi)伺服系統(tǒng)的頭部玩家，匯川技術(shù)自研了伺服驅(qū)動器、伺服電機、編碼器等。其中，與安川電機設(shè)備功率為同一水平的匯川伺服系統(tǒng)SV660，其功率范圍為50W~7.5kW，最大轉(zhuǎn)速同樣能達(dá)到6000轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)矩為350N·m，速度頻率響應(yīng)為3.0/kHz?？梢钥闯?，在中小型伺服驅(qū)動系統(tǒng)上，匯川科技的產(chǎn)品性能已經(jīng)與安川電機相差無幾。

除此以外，優(yōu)必選科技、宇樹科技等國產(chǎn)機器人玩家也參與到伺服驅(qū)動器的研發(fā)。根據(jù)MIR DATABANK的數(shù)據(jù)，從2017年至2021年，中國伺服驅(qū)動市場的本土化份額上漲4.9%，日韓玩家下降5.9%；在2022年上半年，匯川技術(shù)延續(xù)2021年的勢頭，繼續(xù)位列國內(nèi)通用交流伺服銷售額第一?？梢钥吹剑瑖a(chǎn)玩家正在迎頭趕上。

05.結(jié)語：壓低核心技術(shù)成本人形機器人才能真正走向量產(chǎn)商用

在工廠車間，機械臂可能比人形機器人更實用；在炫技方面，手握動力學(xué)和控制模型技術(shù)優(yōu)勢的波士頓動力堪稱“天花板級別”，但面向家庭場景，馬斯克描繪的藍(lán)圖里，只有形態(tài)趨近于人類的機器人，才能解決人類常遇的共通性問題。波士頓動力的人形機器人再炫酷，也只是輸入指令、在實驗環(huán)境中做出相對固定的動作，而真實世界要遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜的多，解決問題的通用性可能比單一能力登峰造極更為實用。

相比探索頂級的機械能力，科技巨頭們普遍將優(yōu)先級放在了改良硬件、優(yōu)化軟件、實現(xiàn)自主解決問題的智能水平上，使其能以更加靈活省電的身軀，應(yīng)對更普遍的應(yīng)用需求。尤其是特斯拉展現(xiàn)出其在系統(tǒng)設(shè)計和整合方面積累的工程優(yōu)勢。而驅(qū)動器所控制的機器人“關(guān)節(jié)”，則是“萬里長城第一步”，只有先讓機器人動起來，讓機械能力達(dá)標(biāo)，干家務(wù)、搬重物等設(shè)想才有實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

在長達(dá)半個世紀(jì)的人形機器人研究中，驅(qū)動器等核心軟硬件一直在迭代進(jìn)化，但迄今距離完全類人的運動性能仍然遙遠(yuǎn)。人形機器人對于關(guān)節(jié)自由度和靈活度提出了更高要求，規(guī)?；逃玫哪繕?biāo)又對硬件成本提出更苛刻的限制。邁入2023年，我們期待看到更多“化繁為簡”的設(shè)計理念，進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動器等核心組件的性能與成本，打開人形機器人進(jìn)入家庭的想象力之門。

參考資料：《雙足仿人機器人驅(qū)動器——演進(jìn)、現(xiàn)狀與前景》石照耀博士、丁宏鈺